GLASILO DRUŠTVA ZA VAKUUMSKO TEHNIKO SLOVENIJE LJUBLJANA, december 93 letnik 13, št. 4, 1993 UDK 533.5.62:539.2:669-982 ISSN 0351-9716 VAKUUMIST 13/3(1993) ISSN 0351-9716 VSEBINA □ Površinske modifikacije NbSe2 s tunelskim mikroskopom (M. Remškar, A. Prodan, V. Marinkovic, A. Pribakovič-Borštnik, K.A. Pischow) □ Sinhrotronska svetloba (M. Mozetič, M. Štuhec) □ Kalibracija ionizacijskih merilnikov na IEVT (B. Povh, J. Šetina, B. Jenko) □ Ramansko sipanje na kristalih (M. Ambrožič) □ Trde zaščitne prevleke (I. del) (P. Panjan, B. Navinšek, A. Žabkar) □ Zgodovina vakuumske tehnike (II. del) (S. Južnič) □ NASVETI Slika na naslovni strani je naslovnica nove knjige prof. dr. Borisa Navinška "Trde zaščitne prevleke", ki jo je izdal Institut "Jožef Štefan". Slika prikazuje zbirko najrazličnejših orodij, ki so jih v Centru za trde prevleke v Domžalah prekrili z "zlatimi" trdimi prevlekami iz titanovega nitrida. Popravek SPONZORJI VAKUUMISTA: • Ministrstvo za znanost in tehnologijo Slovenije • Ministrstvo za šolstvo in šport • ba izerjt Balzers Hochvakuum Ges. m.b.H., Dunaj V prejšnji številki sem pri razlagi slike na naslovni strani naredil spodrsljaj. Podnapis k sliki se pravilno glasi: "Slika na naslovni strani prikazuje laserske module, ki so jih izdelali v Iskri Elektrooptiki". Bralcem Vkuumista in kolegom iz Iskre Elektrooptike se za napako opravičujem. Urednik Vakuumista □ VAKUUMIST o Izdaja Društvo za vakuumsko tehniko Slovenije □ Glavni in odgovorni urednik: Peter Panjan □ Uredniški odbor: Andrej Demšar, dr. Jože Gasperič (urednik za področje vakuumske tehnike in sistemov), dr. Bojan Jenko, dr. Monika Jenko (urednica za področje vakuumske metalurgije), dr. Alojzij Križman, mag. Miran Mozetič, mag. Vinko Nemanič, Marijan Olenik, Bojan Paradiž, Andrej Pregelj, dr. Vasilij Prešern, mag. Bojan Povh in dr. Anton Zalar □ Lektorja: dr. Jože Gasperič in mag. Bojan Povh d Naslov: Uredništvo Vakuumista, Društvo za vakuumsko tehniko Slovenije, Teslova 30, 61000 Ljubljana, tel. (061)267-341 o Številka žiro računa: Društvo za vakuumsko tehniko Slovenije, 50101-678-52240 d Grafična obdelava teksta: Jana Strušnik a Grafična priprava in tisk: Biro M, Žibertova 1, Ljubljana □ Naklada 400 izvodov 3 ISSN 0351-9716 VAKUUMIST 13/4(1993) POVRSINSKE MODIFIKACIJE NbSe2 S TUNELSKIM MIKROSKOPOM Maja Remškar1 Albert Prodan1, Velibor Marinkovič1 2, Ana Pribakovič-Borštnik1,3 in Kaj A. Pischow , 11nstitut "Jožef Stefan", Jamova 39, Ljubljana; 2Oddelek za montanistiko, Fakulteta za naravoslovje in tehnologijo, Univerza v Ljubljani; 3Slovenski inštitut za kakovost in meroslovje; laboratory of Proccessing and Heat Treatment of Materials, Helsinki University of Technology, Finland Surface modification of NbSe2 by using a scanning tunneling microscope ABSTRACT The surface of a NbSe2 crystal was modified by means of scanning tunneling microscopy, where craters between five and a few ten nanometers were produced. A model explainig their production is suggested. POVZETEK S tunelskim mikroskopom smo na površini plastnega kristala NbSe2 delali kraterje s premeri od pet do nekaj deset nanometrov. Predlagan je model za razlago njihovega nastanka. 1 UVOD Potreba po povečanju gostote zapisa informacij in nadaljnji miniaturizaciji elektronskih sestavnih delov zahteva vstop v nov svet, v katerem se dimenzije ne merijo več z mikrometri, ampak z razdaljami med atomi. Eno od orodij, s katerim lahko opazujemo in spreminjamo ta mali svet, je tunelski mikroskop. Njegovo delovanje je bilo v Vakuumistu opisano pred kratkim /1/, zato si le z nekaj stavki osvežimo spomin. Fizikalni pojav, po principu katerega deluje tunelski mikroskop, je tuneliranje elektronov med dvema kovinskima elektrodama, ki ju ločuje ozka vakuumska reža ali zelo tanka plast izolatorja. Elektron kot klasični delec ne more skozi to prepreko. V kvantnomehanski sliki pa elektron opišemo z valovnimi funkcijami. Pri zelo majhni razdalji med elektrodama (nekaj desetink nm) se repa verjetnostnih gostot za lego elektrona z obeh elektrod prekrijeta in elektron lahko preide skozi tak "verjetnostni tunelček", t.j. tunelira iz ene elektrode v drugo. Velikost tunelskega toka eksponentno pojema z razdaljo med elektrodama, kar omogoča slikanje površine bodisi pri konstantnem tunelskem toku bodisi pri konstantni razdalji med elektrodama. V mikroskopu ima ena elektroda obliko zelo ostre konice, ki potuje nad električno prevodnim vzorcem. Pri mikroskopiranju navadno ne pride do poškodb opazovane površine vzorca, saj so tunelski tokovi le nekaj nA. Primerna izbira materialov in pogojev tune-liranja (tunelski tok, napetost med konico in vzorcem) pa omogoča spreminjanje površine v nanometrskem merilu. Z močnim električnim poljem med konico in površino je mogoče odstranjevati različno velike gruče atomov, jih premikati po površini ali odlagati atome s konice na površino vzorca /2/. Preprost model, ki razlaga izmenjavo materiala med konico in vzorcem /2/ temelji na predpostavki, da je vrh konice ploskev, vzporedna s površino vzorca (model paralelnih nabitih ploskev). Dokler je razdalja d med ploskvama velika, se potenciali atomov konice Uk in vzorca Uv ne prekrivajo (sl.1a). Atomi ne morejo zapustiti niti konice niti površine vzorca brez dodane energije, potrebne za razcep kemijskih vezi in desorp-cijo s površine. Pri manjših razdaljah (nekaj desetink nm) pa pride do prekrivanja obeh potencialov, kar povzroči znižanje energijske pregrade za prehod atomov s konice na vzorec in obratno. Smer prehoda je odvisna od izbire materialov in od smeri električnega polja med konico in vzorcem. (a)U vak. nivo (b)U\ SI. 1. Pri veliki razdalji d med konico in površino se potenciala atomov konice Uk in vzorca Uv ne prekrivata (a). Ko se konica približa površini vzorca, se potenciala prekrijeta in pod vplivom polja atomi prehajajo preko nizke energijske pregrade s konice na vzorec ali obratno (b). Model za premikanje atomov po površini vzorca upošteva stožčasto obliko tunelske konice in razlaga pojav površinske difuzije atomov v smeri največje jakosti električnega polja na naslednji način /3/. Pulz električnega polja povzroči tik pod konico največjo spremembo polarizacijske energije. Dipolni moment atoma v električnem polju Eje v linearnem približku: p*= čf + kjer je u statični inaE" inducirani dipolni moment. Zaradi specifične oblike konice je potencialna energija atoma v električnem polju radialno odvisna: 4 VAKUUMIST 13/4(1993) ISSN 0351-9716 UE(r) = -U* E?(r) F(r) + ... Gradient električnega polja povzroči znižanje aktiva-cijske energije za difuzijo tik pod konico in s tem proti središču električnega polja usmerjeno površinsko difuzijo (si.2). SI. 2 Adsorbirani atomi potujejo med napetostnim pulzom proti področju največje poljske jakosti 131. 2 EKSPERIMENTALNO DELO IN REZULTATI Za poskuse modifikacije površin s tunelskim mikroskopom (Omicron) smo uporabili atomsko gladke raz-kolne ploskve (0001) kristalov NbSe2. Kristali so plastni in zgrajeni iz sendvičev Se-Nb-Se, ki so med seboj povezani z relativno šibkimi Van der VVaalsovimi vezmi. Mrežni parametri so: a = 0,3434 nm, c = 1,2692 nm. Zaradi plastne strukture je specifična upornost anizotropna in je pri sobni temperaturi /4/: pa = 1,6- 10-4 Ocm vzporedno s plastmi in pc = 5-10-3 iicm v pravokotni smeri. Opisana sta dva načina modifikacije površine: pri mirujoči konici in pri potujoči. Mirujoča konica Pt/lr je bila med napetostnim pulzom zelo blizu površini vzorca, tako da je med njima tekel tunelski tok 45 nA, nakar je bila polariteta napetosti obrnjena z -1V na +1V. Na površini vzorca je nastal krater s premerom od 70 do 90 nm (sl.3a). Iz preseka slike (sl.3b) je razvidno, da je globina kraterja približno 7.5 nm. V njegovi sredini je nakopičen material, čigar višina nekoliko presega raven prvotne površine. Material je nakopičen tudi na robovih kraterja v višini nekaj atomski plasti. Pri enakih pogojih je bil narejen krater na sl.4a. Premer kraterja je manjši, tudi globina ne presega 4 nm (sl.4b). Material v sredini kraterja in na njegovem obrobju pa je še vedno jasno viden. SI. 3a,b Prvi krater (a) in profil vzdolž linije (b) Vsak naslednji napetostni pulz je povzročil manjšo spremembo površine. Najmanjša modifikacija je vidna na sl.5a,b, kjer je premer spremenjenega področja manjši od 5 nm, globina pa je samo 0,1 nm. Po preteku 24 ur smo eksperiment ponovili pri enakih pogojih in z isto konico. Krater, ki je nastal (sl.6a), je imel podobno obliko kot na sl.3a, bil pa je nekoliko plitvejši (sl.6b), kar dokazuje, da se konica med napetostnim pulzom ni trajno spremenila. Modifikacijo površine, prikazano na sl.7a, smo dobili pri enakih pogojih, vendar s konico, ki je imela deformiran vrh. Največja globina kraterja je bila spet okrog 7,5 nm (sl.7b), vendar le-ta zaradi nepravilne oblike konice ni imel krožne simetrije. Na sl.8a je prikazana modifikacija, ki je nastala pri enakih pogojih, vendar z novo konico. Največja globina je bila približno 9 nm (sl.8b), v sredini pa je ostalo več kupčkov materiala. V nasprotju z že opisanimi kraterji, ki se med opazovanjem niso spremenili, se je vrhnji sendvič Se-Nb-Se zaradi napetosti, ki so med pulzom nastale v plasti, premaknil proti levi strani slike (sl.8c). Njegovo premikanje je ustavil šele v sredini prvotnega kraterja nakopičeni material, ki je segal nad nivo nepoškodovane površine. Iz presekov (sl.8č) je jasno 5 ISSN 0351-9716 VAKUUMIST 13/4(1993) SI. 4a,b Drugi krater ima premer od 50 do 70 nm. SI. 6a,b Oblika kraterja, ki je bil narejen po enem dnevu z isto konico in pri enakih delovnih pogojih, je bila zelo podobna prvemu (sl.3a,b). SI. 5a,b Najmanjša modifikacija je imela premer manj kot 5 nm in globino komaj 0,1 nm. SI. 7a,b Modifikacija površine, povzročena s tunelsko konico z deformiranim vrhom, ni imela krožne simetrije. 6 VAKUUMIST 13/4(1993) ISSN 0351-9716 SI. 8a,b Krater, narejen z novo tunelsko konico, je imel globino 9 nm. razvidno, da gre za premikanje sendvičev Se-Nb-Se, ker se globina teh premikajočih se blokov ujema s c-osjo osnovne celice NbSe2- Pri drugem načinu površinske modifikacije smo spreminjali predznak napetosti pri potujoči konici. Na si.9 je krater, povzročen s spreminjanjem napetosti od SI. 9 Krater s premerom potujoči konici z napetostnih pulzov. 10 nm je bil narejen pri velikim številom majhnih SI. 8c,č Vrhnji sendvič Se-Nb-Se se je premaknil do kupčka materiala sredi kraterja, ki je segal nad nivo prvotne površine. -0.1 V na +0.1 V pri tunelskem toku 1 nA, pri čemer je konica potovala na konstantni oddaljenosti od vzorca. Z velikim številom manjših napetostnih pulzov narejen kraterje imel premer 10 nm. 3 RAZLAGA Tunelski tok eksponentno pojema z razdaljo d med konico in vzorcem /5/, zato ga določajo predvsem valovne funkcije tistega atoma konice, ki je najbližji vzorcu /6/. K električnemu polju med konico in vzorcem pa prispevajo tudi atomi v okolici zadnjega atoma konice, saj jakost električnega polja upada obratno sorazmerno z razdaljo d. Zmanjševanje premerov in globin kraterjev, povzročenih z zaporednimi pulzi električnega polja, je najverjetneje posledica prehajanja atomov selena s površine vzorca na konico. Zato je prišlo do zmanjšanja izstopnega dela za elektrone, ki so tunelirali iz konice na vzorec, in s tem do povečanja tunelskega toka. Ker so bili kraterji narejeni pri konstantnem tunelskem toku, to pomeni, da je bila 7 ISSN 0351-9716 VAKUUM I ST 13/4(1993) konica pri vsakem naslednjem napetostnem pulzu bolj oddaljena od površine vzorca. Vedno šibkejše električno polje je povzročalo zmanjševanje premerov modifikacij. Po nekaj urah je prišlo do desorpcije atomov selena s konice in do vzpostavitve njene prvotne oblike, zato sta si kraterja, narejena v 24-ur-nem presledku, tako podobna (si. 3 in si. 6). Za zdaj lahko le ugibamo, kaj se dogaja s posameznimi atomi na površini vzorca med pulzom električnega polja. S tunelskih slik je razvidno, da so kraterji obdani z venčkom izrinjenega materiala in da sredi kraterjev material zastaja, ali se celo kopiči, saj njegova višina večkrat presega raven prvotne površine. Zaradi zelo podobne oblike kraterjev in luknjic, ki nastanejo pri laserskem zapisovanju podatkov, predlagamo kombiniran model za razlago površinskih modifikacij, povzročenih z električnim poljem, ki so dovolj velike za makroskopski opis. Zaradi zelo visokih električnih poljskih jakosti, ki dosegajo tik pod konico vrednosti nekaj deset milijonov V/cm, so vezi med atomi in s tem vrednosti površinske napetosti zelo motene. Zaradi gradienta električne poljske jakosti nastane tudi gradient v površinski napetosti. Sila, ki na obroček z radijem dr deluje zaradi gradienta površinske energije, je 171: Fy(r) = 2T7r(d7/dr), kjer je 7 koeficient površinske napetosti. Tik pod konico je gradient poljske jakosti zanemarljiv, zato tam material ostaja, medtem ko z radijem gradient zelo hitro raste in preko gradienta površinske napetosti povzroči difuzijo materiala v radialni smeri ter njegovo nalaganje na robovih luknjice. 4 SKLEP Dokazali smo vpliv oblikovanosti konice na obliko sorazmerno velikih kraterjev, ki imajo premer nekaj deset nm. Modifikacije se ujemajo z nedavno objavljenimi tunelsko-mikroskopskimi slikami na M0S2 /8/ in potrjujejo teorijo njihovega nastanka /3/. Poskuse modifikacije površine bomo nadaljevali v smeri čim manjših sprememb površine. Končni cilj je premikanje, odvzemanje in dodajanje posameznih atomov ali nekaj atomskih gruč ter povzročanje kemijskih reakcij med njimi. Preprosto kreiranje zelo majhnih jamic s pulzi električnega polja bi bilo uporabno za digitalni zapis podatkov v nanotehnologiji, saj so premeri nastalih kraterjev za več velikostnih redov manjši kot pri laserskem zapisu. 5 LITERATURA 1. V. Marinkovič, Vakuumist.št. 26 (1992) 3 2. T. T. Tsong, Phys. Rev. B, 44 (1991) 13 703 3. L. J. Whitman, Science, 251 (1991) 1206 4. F. Levy, Intercalated Layered Materials, D. Reidel Publishing Company, The Netherlands, 1979 5. B. Das in J. Mahanty, Phys. Rev. B, 36 (1987) 898 6. C. J. Chen, Phys. Rev. B, 42 (1990) 8841 7. P. Kivits, R. De Bont, B. Jacobs in P. Zalm, Thin Solid Films 87 (1982) 215 8. S. Hosoki, Appl. Surf. Sci. 60/61 (1992) 643 INŽENIRSKA ZBORNICA Ena najpomembnejših aktivnosti Zveze inženirjev in tehnikov Slovenije (ZITS) so v tem času priprave za ustanovitev Inženirske zbornice. V končni fazi izdelave sta statut in zakon o pooblaščenih inženirjih. Pripravljalno komisijo ZITS sestavljajo člani vseh inženirskih zvez in društev. Njihov predlog bo objavljen v reviji Nova proizvodnja. Pred sklicem ustanovne skupščine je bil 25.11.93 sklican na Inštitutu za varilstvo informativni sestanek skupine inženirjev različnih strok, ki imajo strokovni izpit; prisotni so se med drugim opredelili do nekaterih vprašanj, ki se v predlogu zakona pojavljajo kot alternativne možnosti. Jasno je, da bo šele ustanovitev INŽENIRSKE ZBORNICE popolnoma uveljavila poklic pooblaščenega inženirja in mu uredila poklicni, stanovski in socialni status, tako da mu bo omogočila svobodno, samostojno izvajanje poklica kot posameznika ali pa lastnika inženirskega podjetja. Taka ureditev naj bi uredila sedanje neustrezno stanje, ko se registrirajo tki. podjetja za "consulting in ingeniring", za katere pa je v mnogih primerih bilo ugotovljeno, da ne zaposlujejo niti tehnika, kaj šele inženirja. Kot strokovnjaki, ki se ukvarjamo s proizvodnjo, razvojem in raziskavami - torej z dejavnostmi, ki so direktno vezane na ustvarjanje denarja, imamo pogosto občutek, da o usodi naših področij pretežno odločajo drugi. Nič nimamo proti temu, da se sprejemajo zakoni in odločitve, ki so ekonomsko smiselni in utemeljeni, vendar smo pogosto priča neaktivnosti pri stvareh, ki bi jih bilo treba hitro urediti ali pa se celo deluje v napačno smer. Ne bojimo se prevzeti svojega dela odgovornosti; doseči bi želeli, da bi bilo potrebno tehničnega strokovnjaka in znanje nasploh pravno bolj spoštovati kot doslej. Glede na razpravo na omenjenem sestanku bodo to glavne naloge Inženirske zbornice in zato so vsi prisotni izražali močno podporo njeni čimprejšnji ustanovitvi. A. P. 8 VAKUUMIST 13/4(1993) ISSN 0351-9716 SINHROTRONSKA SVETLOBA Miran Mozetič in Matjaž Štuhec*, Inštitut za elektroniko in vakuumsko tehniko Teslova 30, 61111 Ljubljana, * Institut "Jožef Štefan", Jamova 39, 61111 Ljubljana Synchrotron radiation ABSTRACT Basic principles of the sinchrotron are presented and some characteristics of the sinchrotron radiation are described. Some results of recent experiments performed at different laboratories are briefly mentioned. POVZETEK V prispevku opiševa princip delovanja sinhrotrona in nekaj lastnosti sinhrotronske svetlobe. Na kratko omeniva nekaj rezultatov novejših raziskav, ki so jih opravili na sinhrotronih po svetu. 1 Uvod Verjetno je malo kapitalsko tako zahtevnih projektov, ki jih države velikodušno financirajo, kot je postavitev izvirov sinhrotronske svetlobe. Le ti namreč rastejo po svetu kot gobe po dežju. Sinhrotrone, ki veljajo več sto milijonov dolarjev, postavljajo ne samo v razvitih državah, ampak tudi v državah tretjega sveta, npr. Indiji in Braziliji. Najbolj osuplo je morebiti dejstvo, da pri tem ne gre za vojaške projekte (kot je bil npr. projekt Vojna zvezd), ampak za pretežno znanstvene raziskave. Prepričati parlament neke države, da investira toliko denarja v izgradnjo tako dragih laboratorijev, je na prvi pogled nemogoče. Vendar pa ... Znanstvenikom je očitno uspelo prepričati politike, da je vredno vlagati denar v tovrstne raziskave. Konec osemdesetih let tega stoletja so namreč odkrili, da ponuja sinhrotronska svetloba neslutene možnosti raziskav na področju medicine, biologije, kemije in drugih ved. Prof. Bradner npr. napoveduje odkritje zdravila za nekatere vrste raka že za konec tega desetletja /1/. Dr. Thompsonu je s sinhrotronsko svetlobo uspelo odkriti spremembe med pasivnim in aktivnim stanjem nekaterih virusov /2/. S tem se ponuja možnost za tolmačenje delovanja virusa HIV in s tem odkritje zdravila proti drugi kugi 20. stoletja, AIDS-u. Raziskave s sinhrotronsko svetlobo omogočajo tudi natančno določitev kemisorbiranih stanj molekul na površinah, sprotno opazovanje katalitičnih procesov in s tem ponujajo rešitev za mnoge pereče ekološke probleme naše civilizacije. 2 Sinhrotron Zgodovina sinhrotronskega sevanja sega v 50. leta, ko so skonstruirali prvi sinhrotron za pospeševanje delcev, sevanje pa je v začetku predstavljalo le neželene izgube za fizike visokih energij. Sinhrotron je velik vakuumski sistem v obliki pravilnega mnogokotnika. Vakuumski sistem sestavljajo cevi, po katerih se gibljejo skupki elektronov, ki jih vbrizgajo v cev v določenih časovnih zaporedjih. Elektroni imajo energijo reda velikosti 1 GeV. Pri tej energiji se hitrost elek- tronov le malo razlikuje od hitrosti svetlobe v vakuumu. Tolikšne energije elektronov seveda ne moremo zlahka doseči, zato je sestavni del vsakega sinhrotrona linearni pospeševalnik, ki pospeši elektrone do visokih energij, preden jih vbrizgajo v mnogo-kotnik. Če naj bi se elektroni gibali po začrtani poti skozi razmeroma ozko vakuumsko cev, ki sestavlja mnogo-kotnik, jim moramo v vsakem ogljišču spremeniti smer gibanja. To bi lahko storili z močnim magnetnim ali električnim poljem. Iz popolnoma praktičnih razlogov raje uporabimo magnetno polje, saj so pri električnem polju velike težave s preboji. Gostoti magnetnega polja 0,1 T ustreza namreč jakost električnega polja 300000 V/m. Homogeno magnetno polje gostote B odkloni elektrone s hitrostjo blizu svetlobni, c, v krožnico z radijem R po enačbi: R = ecB (1) Velikost sinhrotrona torej raste z energijo elektronov. Za doseganje večjih energij pa ne moremo poljubno večati gostote magnetnega polja B. Z navadnimi magneti dosežemo namreč danes do 1,5 T, s super-prevodnimi pa kvečjemu 5 T. Z dipolnim magnetom torej uspešno kontroliramo smer gibanja gruče elektronov v vakuumskem sistemu. Vendar pa se vsak skupek delcev prej ko slej razširi, zato ga je treba občasno spet zgostiti. Pri tem si pomagamo z elektronsko optiko. Skupek elektronov fokusiramo v magnetnem polju kvadrupolov. Za bolj fine korekcije elektronske orbite uporabljamo še sekstapolne magnete. RF" resonator dipolni œagnet kvadrupolni magnet žarkovna linija Slika 1. Sinhrotron 9 ISSN 0351-9716 VAKUUM 1ST 14/1(1994) Pomemben del sinhrotrona je tudi resonančna votlina, v kateri pospešimo skupke elektronov z RF električnim poljem, da nadomestimo izgube kinetične energije zaradi sevanja. Elektron namreč pri spremembi smeri gibanja seva kvante elektromagnetnega valovanja - fotone. Iz fizike je znano, da vsak pospešeni nabiti delec seva svetlobo. Izguba energije zaradi t.i. sinhrotron-skega sevanja je sorazmerna s četrto potenco energije krožečega elektrona. Pri nizkih energijah sinhro-tronsko sevanje ni omembe vredno. Bistveno prispevajo šele elektroni z energijami nekaj 10 MeV. Celotna izsevana moč pa je razen od energije elektronov odvisna še od števila oziroma toka elektronov v obroču. Velja zveza: P = __£X (2) 3e «R kjer je 7 energija elektrona deljena z njegovo mirovno energijo (mo c2), R pa krivinski radij elektronske orbite. Pri toku 200 mA dobimo za elektrone z energijo 1.5 GeV na krožnici z radijem 3 m izsevano moč 26 kW. To pa je v primerjavi s klasičnimi izviri žarkov X izredno velika vrednost. Prva prednost sinhrotron-skega sevanja je torej izredno velika intenziteta izsevane svetlobe, ki kar za nekaj redov velikosti prekaša vse dosedanje izvire. Elektroni, ki vstopijo v območje magnetnega dipola, se pospešijo pravokotno na smer gibanja. Pospešeni elektron seva svetlobo, kot je napovedal že Herz, s prostorsko porazdelitvijo prikazano na sliki 2a. To velja v inercialnem opazovalnem sistemu, ki se giblje skupaj z elektronom. Vendar pa uporabnik sinhrotrona opazuje elektrone iz inercialnega sistema, ki ima proti elektronu skorajda svetlobno hitrost. Fizika hitrih delcev nas pouči, da seva elektron za opazovalca v laboratoriju predvsem v smeri njegovega gibanja. Velikost prostorskega kota, v katerega pospešeni elektron seva, je odvisna od energije elektronov in je 2/7. Na primer: elektroni z energijo 1 GeV sevajo v ozkem stožcu s kotom reda tisočinke radiana (glej sliko 2b). Velika prednost sinhrotrona pred klasičnimi izviri žarkov X je prav odlična kolimiranost svetlobnega curka. (a) (b) elektronov Smer Slika 2. Kotna porazdelitev sinhrotronskega sevanja Spekter sevanja iz dipolnega magneta je zvezen in sega od energij reda 1 eV, kar ustreza valovnim dolžinam vidne svetlobe, preko UV področja, pa vse do nekaj 10 keV, kar je že v področju rentgenske svetlobe. Tudi po širokem spektralnem območju je sinhrotron edinstven izvir svetlobe. Na sliki 3 je značilen spekter v log-log skali (glej sliko 3). ,14 £ 1013 t _ --3D \ \2-0\ \\ \ 1.0 Y15 \ \ \ \ W =0.5Gev\ e \ 10 10J 10 10J 10 Energija fotonov [eVj Slika 3. Spekter sevaja iz dipolnega magneta Energijo, pri kateri začne intenziteta padati, določa t.i. kritična frekvenca, WC - 3c-y 2R ' (3) Spekter dobimo namreč s Fourierjevo analizo časovnega poteka sevanja. Časovni potek pa je hitro zaporedje (reda MHz) kratkih pulzov, ko ozek svetlobni curek posveti na opazovano točko pri vsakem obhodu elektronov. Kritična frekvenca je tedaj povezana s širino časovnega intervala enega svetlobnega pulza. Odvisna je od energije elektronov 7. Pri dolgem dipolnem magnetu, ki skrbi za pravilno smer elektronov v sinhrotronu, elektroni spontano sevajo svetlobo na vsej svoji poti skozi magnet. Če se na njej ukrivijo za, recimo, 15°, je lastnost ozke kotne divergence curka, ki je reda 1/7, izkoriščena le v navpični smeri, v vodoravni smeri pa je očitno enaka 15°. Ker so navadno vzorci majhnih dimenzij, raziskovalec dejansko ne razpolaga s celotno izsevano svetlobo, ampak le s tistim delom, ki ga uspe zbrati z optičnim sistemom zaslonk in ukrivljenih zrcal. Zaradi tega dipolni magneti pravzaprav niso najbolj optimalen izvir sinhrotronske svetlobe. Za doseganje velikih gostot izsevanega svetlobnega toka v majhen prostorski kot uporabljamo dodatne naprave, ki jih namestimo na ravne dele mnogokotnika. Naprave se imenujejo undulatorji in viglerji, sestavljeni pa so iz množice kratkih magnetov s spreminjajočo se pola-riteto, kot je prikazano na sliki 4. Pri prehodu elektronov skozi polje posameznega majhnega magneta se smer gibanja elektronov le malo spremeni. Zato je celotni prostorski kot izsevane svetlobe majhen. Temu primerno je majhen tudi izsevani energijski tok. Zato pa imamo v undulatorju ali viglerju več 10 posameznih magnetov in se energijski tok na posameznih zavojih sešteva. Razlika med viglerji in undulatorji je le v amplitudi vijuganja, ki ga vsilijo elektronom. Za undulatorje je značilno, da elektronov 10 VAKUUMIST 13/4(1993) ISSN 0351-9716 Slika 4. Vigler oziroma undulator maksimalni odmik od nemotene poti elektronov ni večji od kotne divergence izsevane svetlobe. S tem pridobimo dodatno kvaliteto, to je, da se svetloba, izsevana na zaporednih zavojih, koherentno sešteje. Razen zveznega dela spektra kot vigler, ima undulator še ostre črte enobarvne koherentne svetlobe. (V tej smeri tudi tečejo intenzivne raziskave za izdelavo rentgenskega laserja visoke moči). Z undulatorji ali viglerji tako res dobimo velike gostote izsevanega energijskega toka v zelo majhnem prostorskem kotu. 3 Nekatere aplikacije sinhrotronske svetlobe Nazadnje si še oglejmo, kje vse lahko izkoristimo to veliko intenziteto sinhrotronske svetlobe v širokem energijskem področju. Najpreprostejši eksperiment, ki si ga lahko zamislimo, je kar meritev absorpcijskega koeficienta preiskovane snovi v odvisnosti od energije vpadne svetlobe. Eksperiment zahteva le dva števca, ki merita intenziteto vpadnega in prepuščenega toka, in seveda monokromator, ki izreže iz belega spektra poljuben energijski pas. Absorpcijski robovi dajo informacijo o elementih, ki sestavljajo preiskovano snov. Pri tekočih ali trdnih vzorcih dobimo s t.i. metodo podaljšane fine strukture absorpcijskih robov (EXAFS) tudi informacijo o lokalni okolici izbranega atoma (npr. oddaljenost, vrsto in število sosedov). Zaradi velike intenzitete sinhrotronskega sevanja je posamezna meritev hitra (traja lahko le nekaj sekund), kar omogoča časovno spremljanje kemijskih procesov. Kolimiranost curka lahko izrabimo za absorpcijsko spektrometrijo majhnih vzorcev (velikosti milimetra). Primer takih meritev so raziskave snovi pod visokimi pritiski v stiskalnici z diamantnimi okni, s čemer simulirajo dogajanje v zemeljski sredici. Naslednje široko področje raziskav s sinhrotronsko svetlobo so vse mogoče difrakcijske metode /3/, ki so povezane z razvozlavanjem zapletene strukture ma-kromolekul v molekularni biologiji (glej sliko 5). * t % «g* L » • • - t § Slika 5. Difrakcijska slika in rekonstrukcija molekule DNA. Povsem novo in zanimivo področje je rentgenska mikroskopija. Nove tehnologije tankih plasti so namreč omogočile izdelavo Fresnelovih leč za rentgensko svetlobo in s tem rentgenskega mikroskopa. Za mikro-biologe se tako odpira možnost preiskovanja tako rekoč živih vzorcev v epruveti, brez predhodnih priprav, ki jih zahteva elektronski mikroskop. Slika kromosoma /4/, posneta z rentgenskim mikroskopom na sinhrotronu Photon Factory na Japonskem, je prikazana na sliki 6. Slika 6. Slika človeškega kromosoma. 11 ISSN 0351-9716 VAKUUMIST 13/4(1993) Zapletenejši detektorski sistem zahteva elektronska spektrometrija. Ozek fokusiran snop sinhrotronske svetlobe premikamo po vzorcu in detektiramo izbite fotoelektrone. Iz energijske in prostorske porazdelitve izbitih elektronov sklepamo o strukturi preiskovane snovi, vrsti in razporeditvi atomov. Glede na vpadni kot curka lahko vzbujamo le površinske, ali pa tudi globje plasti. Tako lahko preiskujemo plast za plastjo materiala. Na sliki 7 je posnetek 2 nm debelih trakov bora na silicijevi podlagi. Posnetek odlikuje skoraj 100 -odstotni kontrast, ki je dosegljiv le še z Augerjevim mikroskopom, vendar pa hitrejša sinhrotronska meritev omogoča dinamične raziskave procesa difuzije. 4 Sklep Ugotovili smo, da ponuja sinhrotronsko sevanje skoraj neomejene možnosti raziskav na raznih področjih znanosti in visokih tehnologij. Zdaj je tudi jasno, od kod toliko zanimanje za gradnjo dragih pospeševalnikov povsod po svetu. Očitno je, da bo moral imeti dostop do takšnih naprav, kdor bo hotel držati korak z razvojem novih tehnologij. Slika 7. Posnetek borovih trakov na siliciju. 5 Literatura /1/ F. Branden, Application of Synchrotrone radiation in biology, 2nd School of the use of Synchrotrone radiation, Trst (1993). 121 A. Thompson, privatna diskusija, 2nd School of the use of Synchrotrone radiation, Trst (1993). /3/ R.J. Greenall and W. Fuller, v Topics in Current Chemistry, str.32 Y. Kagoshima, Synchrotron radiation news, 6, Julij 1993. /4/Y. Kagoshima, Synchrotron radiation news, 6, 27 Julij 1993 /5/ B.P. Tonner, Synchrotron radiation news, 4, 19 Marec 1991 IZOBRAŽEVANJA V LETU 1994 Društvo za vakuumsko tehniko Slovenije organizira že več kot dve desetletji različne strokovno izobraževalne tečaje s področja vakuumistike. Za leto 1994 razpisujemo naslednje: 1. Vzdrževanje vakuumskih naprav (19.-21. april, 15.-17. november) Na tečaju bo predvsem obravnavana tematika, ki jo srečujemo v tehniki grobega vakuuma, to je: delovanje, vzdrževanje in popravila rotacijskih črpalk, pregled in uporaba različnih vrst črpalk, ventilov in drugih standardnih elementov, meritve vakuuma, hermetičnost in odkrivanje netesnosti v vakuumskih sistemih, materiali za popravila ter tehnike čiščenja in spajanja. Tečaj bo trajal 20 ur, od tega več kot tretjina praktičnih prikazov in vaj. Cena tečaja je 24.000 SIT. Vsak tečajnik prejme tudi brošuro "Vzdrževanje vakuumskih naprav" in potrdilo o opravljenem tečaju. 2. Osnove vakuumske tehnike (22.-24. marec, 18.-20. oktober) Tečaj podrobneje obravnava ista področja kot prvi, poleg tega pa še: pomen in razvoj vakuumske tehnike, fizikalne osnove, črpalke za visoki vakuum, tankoplast-ne in druge vakuumske tehnologije, čiste postopke, analize površin ter doziranje plinov, čiščenje in preiskave plinov - skupno 22 ur z vajami in ogledom Inštituta za elektroniko in vakuumsko tehniko. Cena tečaja je 20.000 SIT. Udeleženci prejmejo zbornik predavanj "Osnove vakuumske tehnike" in potrdilo o opravljenem tečaju. 3. Vakuumska tehnika za predavatelje srednjih šol (3.-5. marec, avgust, september, november) Vsebina tečaja v obliki delavnice je podobna kot pri Osnovah vakuumske tehnike". Poudarek je na prikazu fizikalnih pojavov v vakuumu in na predstavitvi pomembnosti vakuumskih postopkov v sodobnih tehnologijah. Več je vaj, ki so izbrane tako, da jih je možno z nekaj osnovne opreme izvajati tudi v šolskih laboratorijih za dijake. V delavnico je vključena tudi izdelava seminarske naloge po pravilniku Ministrstva za šolstvo in šport, ki udeležbo na tej delavnici točkuje z 1 točko pri dopolnilnem izobraževanju. Vsi tečaji se bodo pričeli ob 8,00 uri v knižnici Instituta za elektroniko in vakuumsko tehniko, Teslova 30, Ljubljana. Prosimo interesente, da se informativno prijavijo čimprej, za dokončno potrdilo udeležbe pa velja kopija položnice o plačilu - najkasneje štiri dni pred pričetkom tečaja, na naslov: Društvo za vakuumsko tehniko Slovenije, Teslova 30, 61111 Ljubljana (št. ŽR: 50100-678-52240). Prijave sprejema organizacijski odbor (Koller, Spruk, Mozetič, Nemanič), ki daje tudi vse dodatne informacije; (tel. 061 263 461). I.O. DVTS 12 VAKUUMIST 13/4(1993) ISSN 0351-9716 KALIBRACIJA IONIZACIJSKIH MERILNIKOV NA IEVT Bojan Povh, Janez Šetina*, Bojan Jenko, Inštitut za elektroniko in vakuumsko tehniko, Teslova 30, 61111 Ljubljana, *lskra Elektrooptika, Stegne 7, 61210 Ljubljana Calibration of ionization gauges at IEVT ABSTRACT Primary vacuum calibration system at the Institute for Electronics and Vacuum Technique - IEVT was built several years ago. It was designed for calibration of vacuum gauges from atmospheric pressure down to 10'5 Pa and is mainly used for primary calibration of ionization gauges manufactured at IEVT. The pressure generation in the calibration system in the range from 10"' to 10 Pa by dynamic expansion method is described. POVZETEK Primarni vakuumski kalibracijski sistem je bil zgrajen pred leti na Inštitutu za elektroniko in vakuumsko tehniko za umerjanje vakuumskih merilnikov od atmosferskega tlaka do 10'5 Pa. Uporablja se predvsem za primarno kalibracijo ionizacijskih vakuumskih merilnikov, izdelanih na IEVT. Opisan je postopek vzpostavljanja tlaka v kalibracijskem sistemu v področju od 10'1 do 10'3 Pa z uporabo metode dinamične ekspanzije. 1 Uvod Tudi pri nas se občasno kaže potreba po umerjanju vakuumskih merilnikov. Za to je še najbolj zainteresiran (oz. se je čutil poklicanega) IEVT, ki uporablja te merilnike pri raziskavah in tehnologijah, razen tega pa tudi sam izdeluje nekatere merilnike za prodajo. Ker na tem področju ni bilo pri nas nikakršne metro-loške urejenosti, smo proti koncu 70. let zasnovali in zgradili kalibracijski sistem, s katerim naj bi zajeli vse področje od atmosferskega tlaka do 10"5 Pa. Se najbolj smo se potrudili s tistim delom sistema, ki je namenjen za generiranje znanih tlakov v visoko-vakuumskem področju po metodi plinskega pretoka. To je aktualno za ionizacijske merilnike, ki jih v zadnjem času potrebujemo npr. za merjenje karakteristik drugih vakuumskih komponent. Zato smo sistem aktivirali, ponovno preverili njegove ključne parametre in ocenili doseženo točnost. 2 Vakuumski kalibracijski sistem Ves sistem je dokaj kompleksen in ga tu v podrobnostih ne bomo opisovali. O tem smo namreč že pred časom poročali na nekaterih vakuumskih simpozijih /1,2,3,4/, po drugi strani pa delo še ni končano. Kot je razvidno na poenostavljeni shemi na si. 1, gre v osnovi za dva podsistema, ki imata vsak svoj črpalni sistem z rotacijskimi in difuzijskimi črpalkami ter ventili. Prvi ima manjšo valjasto komoro Ri prostornine okrog 3 I in je namenjen za kalibracijo merilnikov v področju grobega in srednjega vakuuma ali kot rezervoar plina pri redukciji tlaka s stacionarnim pretokom. Drugi ima večji recipient R s približno obliko krogle, s prostornino okrog 15 I, in je namenjen za kalibracijo v področju visokega vakuuma. Slika 1. Shematsko prikazan vakuumski kalibracijski sistem Plin vpuščamo v Ri skozi kovinski dozirni ventil LV in tam vzpostavljamo praviloma statične kalibracijske tlake, ki jih merimo s kapacitetnim membranskim merilnikom (capacitance diaphragm gauge - CDG) kot sekundarnim standardom (Baratron 170 M). Ta ima dve diferencialni merilni glavi z območjem do 1,33 hPa oz. do 1333 hPa. Le višjetlačno glavo lahko absolutno kontroliramo z živosrebrnim U-manometrom širokega preseka (UM na sliki). Nedavno smo to storili in ugotovili ujemanje, boljše kot na 0,5%. V principu lahko uporabimo za področje pod 133 hPa tudi diferencialni živosrebrni U-manometer z mikrometrskim vijakom (DUM). Oba omenjena manometra sta povezana s tretjim vakuumskim sistemom, ki je pritrjen na steno. V DUM živo srebro zaradi konstrukcijskih pomanjkljivosti žal ne ostane dolgo čisto, zato ga zadnja leta ne uporabljamo. Potrebovali bi hermetično zaprto napravo, kot je npr. ultrazvočni interferometrični manometer /5/. V načrtu smo imeli še izdelavo prav posebnega kompre-sijskega manometra, ki ga pa zaradi zahtevnosti nismo realizirali. Namesto tega smo skušali nizko-tlačno glavo CDG preverjati po metodi statične ekspanzije iz majhnega znanega volumna pri glavi CDG, ki se da ločiti od Ri . Vendar ta metoda še ni dovolj dodelana, negotovost generiranega tlaka v Ri je znatno prevelika. Zato lahko trdimo, da moremo za zdaj primerno in situ kontrolirati le visokotlačno glavo. 13 ISSN 0351-9716 VAKUUMIST 13/4(1993) Glavni podsistem se začenja z recipientom R, ki ima na valjastem ekvatorialnem delu stranske priključke za Ionizacijske merilnike. V R vzpostavimo stalen pretok Q kalibracijskega plina v molekularnem področju. V vod od Ri do R je vstavljen porozen čep z izmerjeno prevodnostjo Ci. Velikost Q nastavimo z izbiro tlaka pi v Ri. Dotok je usmerjen v kroglasti strop komore, kar je prvi od pogojev za dosego zadostne izotropno-sti molekularnega fluksa v kalibracijskem recipientu. R črpamo skozi odprtino C, nameščeno na spodnji strani na vstopu v kratko izhodno cev premera blizu 150 mm. Cev se nato razširi v pomožni recipient R' z notranjim premerom 250 mm. Med njim in veliko difu-zijsko črpalko Dl (z oljem DC 705) je še lovilnik (shell baffle - SB) enakega imenskega premera, tako da je spodnji volumen vsaj tako velik kot tisti, ki ga ima R. Črpalka ima nominalno črpalno hitrost 3000 l/s. 3 Porozni čep in njegova prevodnost Palčke iz sintrane zmesi zrnc silicijevega karbida in kaolina, s trgovsko oznako Metrosil, smo dobili iz Anglije. Za njihovo rabo v take namene obstajajo dobre reference v literaturi. Vtalili smo jih v cevke iz trdega stekla. Tak čep smo vgradili v vod med Ri in R že pred leti. Njegovo prevodnost Ci merimo na osnovi upadanja tlaka v nekem manjšem zaprtem volumnu V0 (del sistema med glavo CDG, čepom in ventilčki, ki ni posebej prikazan na shemi si. 1), iz katerega izteka plin skozi čep. Tlak merimo z višjetlačno glavo merilnika CDG. Časovna konstanta upadanja je ravno V0/Ci in iz dveh merskih točk, oddaljenih za čas At, dobimo Ci = - V0 A (Inp) At (1) Za sprejemljivo natančnost morata biti točki dovolj narazen, toda pri višjih p mora biti Ap<
TmT) , (4)
i
kjer so Xi molarni deleži komponent zraka. Z upoštevanjem devetih komponent (do kriptona, ki ga je le še 1 ppm) dobimo Meff = 28,8738 g/mol in nato C0 = 9,393 l/s.
Če se dejanska temperatura komore Tc nekoliko razlikuje od To, je treba vrednosti za C0 pomnožiti s faktorjem V Tc/T0 . Vsaka stopinja negotovosti pri Tc prispeva 0,17% negotovost Co.
Valjasti del realne odprtine je imel po načrtu višino 0,15 mm, po izdelavi pa je brez posebnega orodja nismo mogli dobro izmeriti, temveč smo le ocenili, da je I = 0,175 mm ±50%. Za tako kratko "cev" premera d = 2 r0 je koeficient prepustnosti zelo blizu vrednosti
W0 =(1 + l/d) =0,9830 (5)
Številčni rezultat je negotov zaradi negotovosti I, in sicer v našem primeru kar za ±0,85%. To bi lahko izboljšali le z izdelavo orodja za optično merjenje roba odprtine pod določenim kotom.
Na izhodu iz valjastega dela je široko odprt stožec, ki praktično ne omejuje prevodnosti. Na osnovi podobnih primerov v literaturi lahko trdimo, da je njegova prepustitvena verjetnost oz. prepustnost gotovo nad 0,999, postavimo pa kar 1. Močnejši vpliv na prevodnost realne odprtine ima priključna cev pod njo. Ta problem smo splošno obdelali pred leti /31, brez po-enostavitvene predpostavke, da je cev dolga ali odprtina majhna. Cev je dolga 144 mm, široka pa v pov-
prečju ravno toliko, tako da je parameter s = LVR = 2 (dejansko je zgornja tretjina cevi nekoliko ožja, spodnji del pa širši, toda zaradi majhnega vpliva cevi se lahko zadovoljimo s povprečjem). Koeficient prepustnosti take cevi Wt za molekule, ki vanjo vstopajo skozi odprtino, se izraža s presekoma R2 ir in r£ -n, al-gebrajskimi funkcijami parametrov s in p (p = r0/R, v našem primeru 0,07) ter z nepopolnimi eliptičnimi integrali. Za konkretni primer smo dobili Wt = 0,9965, čemur pripisujemo negotovost ±0,1% zaradi nepravilnosti cevi.
Prepustitvene verjetnosti zaporednih komponent kombiniramo na znan način (po Oatleyu), ki je popolnoma upravičen, če je sprednja komponenta tako kratka, da ne pokvari prvotnegaa fluksa vpadajočih molekul. Za našo odprtino to gotovo drži. Ker sta že navedeni W0 in Wt blizu 1, lahko rezultat za skupno prepustnost W poenostavimo v:
W = W0Wt = 0,9796 ±0,95%
S tem dobimo končno molekularno prevodnost naše realne odprtine
C = W Co, (6)
ki je za dušik pri 23 °C npr. 9,342 l/s ±1,13%, pri čemer smo upoštevali negotovost r0, medtem ko je eventualno negotovost merjenja temperature Tc treba upoštevati posebej.
Ker smo doslej umerjali ionizacijske merilnike predvsem s sušenim zrakom (uporabljali smo kar silikagel, kar zadošča npr. pri merjenju črpalne hitrosti difu-zijskih črpalk), moramo podati še prevodnost za zrak pri 23 °C: C = 9,201 l/s, vsak promile preostale vlage pa to vrednost zveča za 0,02 %.
V rezervi imamo še eno, večjo odprtino, primernejšo za kalibracije pri nižjih tlakih in z bolj aktivnimi plini. Njen premer je 2 r0 = 30,124 mm ±0,04%, višina valjastega dela pa je 0,3 mm ±33%. Njen W0 je 0,9901 ±0,33%, Wt = 0,9725 ±0,1%, W = 0,9629 ±0,43% in za dušik pri 23 °C je C = 81,17 l/s ±0,51%.
Navedene vrednosti C veljajo, dokler je tok strogo molekularen in molekule priletavajo na odprtino od daleč, iz nezmotenega plina. Ko razmerje med povprečno prosto potjo \ in premerom odprtine d ni več veliko, se prevodnost efektivno poveča za neki korekcijski faktor iju kajti molekulo blizu odprtine druge bolj verjetno suvajo k odprtini kot proč od nje:
jjl = 1 + ad/\, (7)
kjer ima konstantna a po starejši literaturi vrednost 1/8, novejša /7/ pa navaja manjšo vrednost: 0,09 ±20%. Pri 10"2 Pa je \ v dušiku pri 23 °C enak 65 cm, torej je korekcija za manjšo odprtino jjl = 1,0014 v okviru naše natančnosti še zanemarljiva; pri 10"1Pa je že 1,014.
15
ISSN 0351 -9716
VAKUUMIST 13/4(1993)
5 Zmanjšanje tlaka s stacionarnim pretokom
Sistem je treba poprej dobro izčrpati, da dosežemo v R čim nižji residualni tlak pr. Nato vzpostavimo dotok plina po enačbi (2), in sicer s pripustitvijo plina iz rezervoarja Ri do izčrpanega čepa. Plin začne odtekati skozi odprtino prevodnosti C v pomožni recipient R' in naprej v črpalko in končno se po doseženem ravnotežju vzpostavi v R stalen kalibracijski tlak p. Da je p dobro definiran, mora biti molekulski fluks dovolj izotropen. Potreben pogoj za to je, da je ploščina odprtine dovolj majhna proti notranji površini R. To razmerje naj bi po priporočilih standardov ne bilo večje od 10"3; v našem primeru je za vgrajeno odprtino manj kot 0,3.10"3, za rezervno odprtino pa je nekoliko večje (2,4.10'3).
Zaradi velike črpalne hitrosti S', s katero črpamo R' (ocenjujemo jo na 1420 l/s ±20% za zrak), je delež molekul, ki se iz R' vrača skozi odprtino v R, prav majhen. Upoštevamo ga lahko s privzetkom, da te molekule izvirajo iz enakomerne porazdelitve fluksa, povezane z nekim tlakom p' v komori R', ki je za faktor C/S' manjši od tlaka p. Dovoljujemo si tako grobo oceno, ker gre za korekcijo, ki je manjša od 1%. Sicer je ortodoksna pot taka, da p' posebej merimo, ali, kot je v navadi pri nekaterih novejših sistemih te vrste /5,7/, izmerimo razmerje p'/p kot dan parameter sistema.
Kolikor lahko pr zanemarimo, imamo pri ravnotežju pogoj:
C (p - p') = Ci pi . (8)
kamor lahko za p' substituiramo še aproksimacijo
, C . C Ci P =Š7P=Š7' ~ČP1 1
s čimer dobimo končno iskani kalibracijski tlak p, ki je bistveno manjši od izhodiščnega pi:
"-fp' Tlfes7 +c/s'l <9)
zacijskih merilnikov smo uporabljali celo elastomerna tesnila na merilnih priključkih in je bil značilni pr komaj 10"4 Pa. V tem primeru smo izbrali neko kompromisno velikost p okrog 3.10'3Pa (med 2 in 4) in umerjali merilnike le na eno točko.
Za omenjeno točko je razmerje Ci/C za suh zrak 1,159.10 ° ±3%; negotovost smo zaokrožili navzgor, ker je težko zadeti ravno želeni p, temveč dopuščamo, da je med 2 in 4 mPa. Residualni tlak pr (zračni ekvivalent) pomeni, da v R doteka dodatna količina plina C pr, ki jo moramo prišteti na desni strani enačbe (8). Tej količini moramo pripisati znatno negotovost, recimo ±50%. Zaradi tega in tudi zaradi razplinjevanja samega R' se poveča tudi p' na levi strani enačbe (8). Če se R' razplinjuje približno enako kot R, izteka iz njega Q' = Ci pi + 2 C pr ± C pr, kar ob črpanju z S' daje p' = Q'/S'. Iz tako popravljene enačbe (8) izrazimo kalibracijski tlak:
Ci
p = pi + pr + p
(10)
Za primer p = 3.10'3 Pa in pr = 10"4 Pa (±50%) je 1 .člen negotov na ±3,5%, 2. člen je le 1/30 prvega in s svojo negotovostjo prispeva ±1,7%, 3. člen p' = 2,1.10"5 Pa (±25%) pa pomeni 1/144 prvega in prispeva v vsoti ±0,2 %. S tem bi bila skupna negotovost p okrog 5,4%.
Tako bi lahko delali le ob predpostavki, da je vpliv residualnega plina enak v primeru brez dotoka skozi čep kot ob dotoku. Na njej temelji tudi postopek drugih standardnih laboratorijev /5,7/, ko za umeritev ionizacijskega merilnika upoštevajo le "generirane" tlake, t.j. prirastke nad residualnim, in le prirastke indikacije merilnika nad indikacijo pri residualnem tlaku. To ni neoporečno, a v praksi najbrž ustreza za delo z inertnimi plini. Pri delu z zrakom, in to še delno vlažnim, pa smo opažali, kot posledico adsorpcije, izrazit vpliv jakosti in trajanja vpuščanja na efektivni residualni tlak (merjen kmalu po prekinitvi dotoka). V teku posamezne kalibracijske serije se utegne efektivni pr celo nekajkrat zvišati, kar lahko bistveno zviša negotovost kalibracijskega tlaka.
Negotovost faktorja v oklepaju ocenjujemo na manj kot 0,2% (zaradi negotovosti S'). Če k temu prištejemo še negotovosti merjenja pi in določitve molekularnih prevodnosti C in Ci, dobimo skupno negotovost kalibracijskega tlaka ±3,1% ali še nekaj promilov več, če upoštevamo tudi negotovost temperatur.
Pretok skozi čep je čisto molekularen le do pi okrog 10 hPa, čemur ustrezajo tlaki p, ki niso znatno večji od 10"3 Pa. Za višje p moramo upoštevati pripadajoče spremenjene vrednosti Ci (in v manjši meri tudi C), kar poveča negotovost. Na drugi strani pa pri nižjih p ne moremo več zanemariti residualnega tlaka. V kalibracijski komori brez pregrevanja ne moremo doseči pr pod 10"5 Pa. Pregrevanje je sicer možno, vendar ga doslej nismo izvajali. Pri naših hitrih kalibracijah ioni-
6 Sklep
Navedene napake niso prav precizno analizirane, vzete so pa dovolj široko, tako da poleg sistematične komponente zajemajo tudi slučajno. Dejstvo je, da naša kalibracija še ni na nivoju, kot je sedaj dosežen pri nekaterih nacionalnih laboratorijih za merilne standarde. Ker pa je naša težnja, da dobimo v nacionalnem merilu pooblastilo za kalibracije v področju srednjega in visokega vakuuma, bo potrebno naš laboratorij še dopolniti in izboljšati. Nekatere načrte v tej smeri navajamo ob koncu.
Na prvem mestu je potrebno vpeljati pregrevanje za izboljšanje pr. Potem bi lahko generirali tudi nižje kalibracijske tlake.
16
VAKUUMIST 13/4(1993)
ISSN 0351-9716
Z meritvijo roba odprtine je treba zmanjšati negotovost C. Ker uporaba čepa resno omejuje dosegljive p navzgor, bi bilo dobro izdelati tokomer, ki meri količino plina na osnovi stiskanja meha pri stalnem tlaku plina. Za zanesljivejšo primarno kalibracijo CDG bi bilo dobro nabaviti preciznejši primarni standard, npr. manometer na bat ter boljši diferencialni živo-srebrni U-manometer. Nujno je dodelati statično ekspanzijo kot primarni standard za področje od 100 do 10"2 Pa. Kot delovni standard za kalibracije v področju od 1 Pa (ali višje) do 10'4 Pa bi bilo priporočljivo uporabljati merilnik na vrtečo se kroglico (spinning rotor gauge - SRG). Ta bi bil nujno potreben tudi za kakršne koli medsebojne primerjave z drugimi standardnimi laboratoriji. Sistem za stacionarni pretok je potrebno dopolniti s sredstvi za določitev in kontroliranje razmerja p'/p in z njim povezanega vpliva povratnega toka plina skozi odprtino.
7 VIRI
/1/ B. Povh: Entwurf eines Systems für die Kalibrierung von Vakuummetern, 4. Gemeinsames Symposium des MPI, Stuttgart und IEVT, Ljubljana, 1977
/2/ F. Lah, B. Povh: Zasnova in realizacija vakuumskega sistema za umerjanje vakuummetrov, 8. jugoslovanski vakuumski kongres, Bled, 1979, Zbornik referatov
/3/ B. Povh: Prevodnost odprtine pri realni namestitvi, 9. jugoslovanski vakuumski kongres, Zagreb, 1983, Zbornik referatov
/4/ B. Povh: Bestimmung des Leitwertes einer reellen Öffnung, 5. Gemeinsames Symposium des MPI, Stuttgart und des IEVT, Ljubljana, 1980
151 High Vacuum Standard and Its Use, NIST Special Publication 250-34, Washington, 1989
161 R.P.W. Lawson, Vacuum 25 (1975), 377
/7/ W. Jitschin, K. Jousten, and D. Wandrey, J. Vac. Sei. Technol. A10 (1992), 3344
NOVICE DVTS
70. seja izvršnega odbora IVUSTA
Seja izvršnega odbora IVUSTA (International Union for Vacuum Science, Technique and Applications) je bila tokrat v Orlandu na Floridi po končani vakuumski konferenci, ki so jo organizirali ameriški vakuumisti ob 40-letnici svojega društva.
Na seji je direktorij IVUSTA oddobril sponzoriranje učne delavnice s področja znanosti površin in tematiko: "Majhne molekule na površinah" (Small molecules on the surfaces), ki ga bosta skupno organizirale Velika Britanija in Slovenija spomladi leta 1995 na Brdu pri Kranju.
Na skupni seji je predstavnik Italije predlagal, da bi nekaj dni pred učno delavnico organizirali vakuumsko konferenco Slovenije in Italije in morda še Hrvaške. Na ta način bi zagotovili za predavatelje priznane strokovnjake iz razvitega zahodnega sveta. Na področju znanosti površin bi v tem splošnem delu želeli izpostaviti tematiko: Segregacija atomov na površini kovin in zlitin, kjer bi poleg DVT Slovenije sodelovala kot organizatorja še IMT Ljubljana in MPI iz Diisseldorfa.
Končno obliko bo ta mednarodna manifestacija na področju vakuumskih znanosti dobila predvidoma spomladi 1994, ko bodo končani dogovori med posameznimi društvi in inštituti. Prav tako bi želeli prirediti 72. sejo izvršnega odbora IVUSTA v Sloveniji. Zadnja tovrstna seja je bila 1988. leta v Portorožu. Seveda pa bo zanjo huda konkurenca, ker si jo tudi Nemčija želi imeti v Berlinu leta 1995 ob 150-letnici društva fizikov.
Na tej seji je bilo odobreno sponzoriranje še dveh učnih delavnic s področja tankih plasti in vakuumskih tehnologij. Za obdobje 1992-95 je sponzorstvo vseh učnih delavnic zaključeno.
Obravnavani so bili zelo podrobno tudi problemi z organizacijo 45. svetovnega vakuumskega kongresa, ki bo v jeseni leta 1995 v Jokohami na Japonskem.
Iz mednarodne zveze vakuumskih društev IVUSTA so izključili Bolgarijo, ker že nekaj let niso poravnali članarine in se na opomine sploh ne odzivajo.
Sejo smo zaključili z izletom v Kennedy Space Center na Cape Canaveralu. Zelo zanimivo doživetje, ki navdaja obiskovalca z zelo mešanimi občutki. Po eni strani z navdušenjem in ponosom ter občudovanjem, kakšen dosežek za človeštvo in kakšen nesluten razvoj so dosegle na račun tega projekta nekatere panoge industrije, po drugi strani pa je ta projekt tako neznansko drag, da bi le z delom tega denarja nahranili človeštvo. Katera pot je torej prava?
Naslednji sestanek izvršnega odbora IVUSTA je predviden ob koncu 4. evropske vakuumske konference v Uppsali na Švedskem. Vsem bralcem revije Vakuum-ist, posebej pa še članom Drušva za vakuumsko tehniko Slovenije želim vesele božične praznike in obilo uspehov na strokovnem področju in vse dobro v novem letu.
dr. Monika Jenko Inštitut za kovinske materiale in tehnologije Lepi pot 11, 61000 Ljubljana
17
ISSN 0351 -9716
VAKUUMIST 13/4(1993)
RAMANSKO SIPANJE NA KRISTALIH
Milan Ambrožič, Institut "Jožef Stefan", Jamova 39, 61111 Ljubljana
RAMAN SCATTERING ON CRYSTALS ABSTRACT
This article presents the Raman scattering spectroscopy as a method for observation of vibrations of atoms in matter. We'll discuss Raman scattering on crystals in more detail.
POVZETEK
V članku je predstavljena ramanska spektroskopija, metoda za opazovanje nihanj atomov v snovi. Posebej si bomo ogledali ramansko sipanje na kristalih.
1 Uvod
Ramansko sipanje je neelastično sipanje svetlobe na atomih v molekulah ali v kristalni mreži. Ime je dobilo po indijskem fiziku Ramanu, ki ga je odkril leta 1928. Ugotovil je, da se delu svetlobe, ki se siplje na nekaterih vzorcih, spremeni frekvenca. Frekvenčni premik je odvisen od kemijske strukture snovi. Za ta dosežek je dobil Nobelovo nagrado leta 1930.
Zdaj ta pojav dobro razumemo: povezan je s spremembo kvantiziranih nihanj atomov v snovi. Zato ležijo razlike med frekvenco vpadne in sipane svetlobe v infrardečem območju. V tem je ramanska spektroskopija sorodna infrardeči absorpciji. Velikokrat se metodi dopolnjujeta: nekatera nihanja so vidna za ramansko, druga pa za infrardečo spektroskopijo. Prednost prve je predvsem v tem, da je neobčutljiva za vodo. Zato lahko opazujemo vzorce tudi v vodni raztopini. Poleg tega tudi steklo ne moti ramanskih spektrov, zato je priprava celic za opazovanje tekočin in plinov veliko enostavnejša kot pri infrardeči spektroskopiji. Vendar se je ramanska spektroskopija zaradi zelo majhne intenzitete spektrov širše uveljavila šele z uporabo laserjev v šestdesetih letih. Z njo lahko preučujemo snovi v vseh treh agregatnih stanjih. Od kristalnih struktur lahko gledamo monokristalne, polikristalne vzorce in tudi tanke plasti. Metoda je (pri neprozornih snoveh) površinska - npr. pri YBa2Cu307 je vdorna globina zelene argonove svetlobe okrog 60 nm. Torej analiziramo le površinsko plast kristalov.
2 Teorija Ramanovega sipanja
Ko se absorbira foton s frekvenco coi v opazovanem sistemu (v molekuli ali kristalu), preide elektronsko stanje sistema iz osnovnega v virtualno (navidezno) energijsko stanje. To leži med osnovnim in prvim vzbujenim kvantnim stacionarnim stanjem. Ta proces ni diskretno omejen. Energija vpadnega fotona sme imeti poljubno vrednost, vendar manjšo od razlike energij med prvim vzbujenim in osnovnim stanjem. Potem sistem odda nov foton; pri tem elektronsko stanje preide spet v osnovno, vibracijsko stanje se pa lahko spremeni. Glede na frekvenco W2 oddanega fotona imamo tri možnosti:
a) o)2